瓦斯壓力作用下沖擊煤體的聲發(fā)射響應(yīng)特征

劉傳政 伍曉龍 趙偉

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引言

煤體作為非均質(zhì)體，其內(nèi)部分布著微裂隙和微孔隙等，外力作用時(shí)這些缺陷端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生突發(fā)性破裂，同時(shí)瓦斯壓力會(huì)對(duì)煤體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，會(huì)使煤樣發(fā)生膨脹、變形等微觀損傷，降低了煤抵抗變形的能力，因此，不同的瓦斯壓力下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)就會(huì)有所區(qū)別[1]，研究瓦斯煤巖破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)和其演變規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)瓦斯環(huán)境中煤巖破裂的動(dòng)態(tài)過程與監(jiān)測煤體動(dòng)力災(zāi)害具有重要的意義。

眾多學(xué)者對(duì)沖擊性煤巖變形破裂過程的聲發(fā)射研究特性進(jìn)行了深入研究:馮增朝等[2-4]對(duì)煤巖的沖擊傾向性進(jìn)行了大量研究，提出了各種影響因素或指標(biāo)，并用于指導(dǎo)沖擊地壓預(yù)測與防治工作；蔣軍軍等[5]研究了煤樣的尺寸效應(yīng)與沖擊地壓的關(guān)系，通過聲發(fā)射b值表征了沖擊過程；郝憲杰等[6]、胡祖祥等分別從煤巖體彈塑性角度構(gòu)建了本構(gòu)方程，趙洪寶等對(duì)具有突出傾向煤體制備的型煤試件單軸壓縮和循環(huán)加載過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但不同瓦斯壓力環(huán)境中，煤體破壞過程中聲發(fā)射演化規(guī)律與特征的研究成果較少。

筆者擬開展不同瓦斯壓力下沖擊傾向性煤體的單軸壓縮試驗(yàn)，采用聲發(fā)射儀對(duì)煤體受載破壞過程中的聲發(fā)射信息進(jìn)行同步監(jiān)測，采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）分析的信號(hào)處理方法以探尋瓦斯壓力對(duì)煤巖聲發(fā)射響應(yīng)的影響及其在災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用。

1 試樣的制備及實(shí)驗(yàn)方案

利用從徐州市銅山礦區(qū)取得的大塊試樣，通過鉆取得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸的煤樣，利用端面磨石機(jī)將鉆取好的煤芯進(jìn)行打磨，試樣符合要求的精度標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)裝置用于不同瓦斯壓力下的單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為0.05 mm/min。使用AE 分析儀進(jìn)監(jiān)測，AE門檻值為40 dB，外部增益放大器為60 dB。

利用得到的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，進(jìn)行常壓以及瓦斯氣體壓力為0.3MPa、0.4MPa、0.5 MPa 的實(shí)驗(yàn)，為了降低試驗(yàn)結(jié)果離散性，每種壓力條件下分別測試5 個(gè)試樣，共計(jì)20個(gè)試樣。

2 聲發(fā)射響應(yīng)特征

2.1 AE 時(shí)域特征

含瓦斯煤的力學(xué)試驗(yàn)過程中，通過聲發(fā)射儀對(duì)含瓦斯煤受載破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行同步監(jiān)控。選取在不同瓦斯壓力下典型煤樣，受載破壞過程中的單軸抗壓強(qiáng)度、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、能量的統(tǒng)計(jì)分析見表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度及聲發(fā)射參數(shù)特征

選取不同瓦斯壓力煤體受載破壞過程的AE 信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，可以很直觀的觀察出：在受載前期即壓密階段，試樣產(chǎn)生AE 事件較少或者可以忽略且能量偏小，此時(shí)振鈴計(jì)數(shù)曲線呈緩慢上升趨勢。在煤樣破裂或者即將完全破裂時(shí)，出現(xiàn)AE 事件數(shù)及能量大幅增加。AE 事件數(shù)與能量均出現(xiàn)突增現(xiàn)象。煤樣所處于不同的瓦斯壓力條件，其各項(xiàng)數(shù)值均有一定程度的降低。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行均值處理，得到了試樣在不同瓦斯壓力下的單軸抗壓強(qiáng)度、能量峰值、振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢?？呻S著瓦斯壓力逐漸增加，煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、能量峰值、振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著煤樣所處不同瓦斯壓力環(huán)境由常壓增加至0.5MPa，煤樣的單軸壓強(qiáng)度由14.1MPa 降低至10.075MPa，其單軸抗壓強(qiáng)度降低28.546%，能量峰值由15.394v· ms 降低至11.843 v·ms，其能量峰值降低23.067%，振鈴計(jì)數(shù)由原來的5.914 萬次降低至3.988 萬次，其振鈴累計(jì)降低32.567%，總體來看，隨著煤樣所處環(huán)境瓦斯壓力的升高，煤樣的強(qiáng)度、能量峰值、振鈴計(jì)數(shù)呈降低的趨勢。

瓦斯對(duì)煤體的力學(xué)性質(zhì)有一定的弱化作用，隨著瓦斯壓力增加煤樣的峰值強(qiáng)度總體上呈降低的趨勢，也降低了變形破壞的激烈程度;另一方面，隨著瓦斯壓力的增大，促進(jìn)了煤體內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，使得煤體存在初始損傷，使得煤樣呈現(xiàn)不同瓦斯壓力下，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量峰值的減小。

2.2 AE 頻譜特征

選擇典型試樣，對(duì)試樣在壓裂瞬時(shí)的AE 信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。煤樣破裂產(chǎn)生的頻率集中在0～200 kHz。隨著煤樣所處環(huán)境瓦斯壓力的增加，AE 信號(hào)的主頻帶逐漸變窄，AE 信號(hào)的主頻大小與頻域最大振幅分別與瓦斯壓力呈正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)瓦斯壓力由0.0MPa 增大至0.5MPa 時(shí)，主頻由50kHz 增大為150KHz，頻域最大振幅由13mv降低為4.7mv。

瓦斯環(huán)境下，煤基質(zhì)發(fā)生了變形，煤體的表面能大幅降低，煤體顆粒之間的粘結(jié)力降低，進(jìn)而使煤體抗壓強(qiáng)度降低。此時(shí)煤體在破壞時(shí)更易產(chǎn)生大量微裂隙，而微小裂隙的擴(kuò)展、發(fā)育會(huì)產(chǎn)生較多高頻信號(hào)，煤體破裂的聲波主頻表現(xiàn)出由“低頻高能”變化為“高頻低能”變化特征。

3 結(jié)論

1）瓦斯壓力的升高，沖擊煤體破壞過程的聲發(fā)射時(shí)域能量峰值、振鈴計(jì)數(shù)呈降低趨勢；

2）瓦斯環(huán)境下，沖擊煤體破裂產(chǎn)生的頻率集中在0～200kHz。瓦斯壓力的增加會(huì)導(dǎo)致沖擊煤體破裂的聲波主頻逐漸由“低頻高能”變化為“高頻低能”。